1、第四章 微生物生理,第一節(jié) 微生物的酶,一、酶的種類 1、按成分分： (1)單成分酶： (2)全酶： 與蛋白質(zhì)結(jié)合緊密，不能用透析的方法除去的稱輔基； 而與酶蛋白結(jié)合松散的、可用透析的發(fā)除去的稱輔酶。,2、組成酶和誘導酶 組成酶： 或固有酶。 誘導酶： 并非微生物所固有的，但在一 定條件與物質(zhì)存在的前提下可誘導產(chǎn)生的酶稱誘導酶。,3、胞內(nèi)酶和胞外酶 胞內(nèi)酶： 絕大多數(shù)酶都是固定在細胞內(nèi)部 胞外酶： 微生物細胞分泌到胞外而起作用的酶。一般為水解酶類。 表面酶：在細胞表面,4、按催化反應的類型分： 可分為六大類：水解酶、氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、異構(gòu)酶、裂解酶、合成酶。,二、酶的催化特性,1、酶的專

2、一性： 絕對專一性： 相對專一性： 能作用于一類物質(zhì)，能催化某一類化學鍵的斷裂。 立體專一性： 能催化某一種異構(gòu)體，而 不能催化另一種異構(gòu)體。,2、反應條件溫和： 3、對環(huán)境條件敏感： 高溫、強酸、強堿及重金屬等都能使酶失活。 4、催化效率極高：,第二節(jié) 微生物的營養(yǎng),營養(yǎng)或營養(yǎng)作用（ nutrition ）是指生物體從外部環(huán)境 吸收生命活動所必需的物質(zhì)和能量，以滿足其生長和繁殖需要的一種生理功能。,一 、微生物的化學組成 分析微生物細胞的化學組成與各成分含量，是了解微生物營養(yǎng)需求的基礎，也是培養(yǎng)微生物時，設計與配制培養(yǎng)基乃至對生長繁殖過程進行調(diào)控的重要理論依據(jù)之一。,水分約占菌體濕重的 70

3、% 90% ，含量最高。 有機物主要是由糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂、維生素以及它們的降解產(chǎn)物與代謝產(chǎn)物組成。其中碳、氫、氧、氮、磷、硫等 6 種元素占了細胞干重的 97%,二、微生物的營養(yǎng)要素及其功能 微生物的營養(yǎng)要素（也稱營養(yǎng)因子）按照在機體中的生理作用不同，區(qū)分成碳源、氮源、能源、生長因子、無機鹽和水等 6 類。,1、 水 水是微生物細胞的重要組成成分 水使原生質(zhì)保持溶膠狀態(tài)，保證了代謝活動的正常進行；當含水量減少時，原生質(zhì)由溶膠變?yōu)槟z，生命活動大大減緩，如同細菌芽孢。 水作為一種溶劑，能起到胞內(nèi)物質(zhì)運輸介質(zhì)的作用。,2、碳源 （ carbon source ） （1）定義：供碳元素來源的物質(zhì)

4、 （2）對于利用有機碳源的 異養(yǎng)型微生物 來說，其碳源往往同時又是能源。此時，可認為碳源是一種具有雙功能的營養(yǎng)物 。 另一類種類較少的自養(yǎng)型微生物 ，則以 CO2 為主要碳源。,1）碳源,種類？ 有機物、無機碳化合物 隨細菌不同，各有偏好 細菌最喜好的碳源是？,細菌細胞中的碳素含量占干物質(zhì)質(zhì)量的50左右。細菌對碳素的需求量最大。 碳源作用 細胞的碳骨架、大多還是能源物質(zhì)。,糖 尤其是葡萄糖及其多糖,3 、能源 （ energy source ） （1）定義： （2） 微生物能利用的能源種類因種不同而異，主要是一些無機物、有機物或光。,化能自養(yǎng)型的細菌包括硝化細菌、硫化細菌、氫細菌和鐵細菌,它們

5、的能源物質(zhì)都是一些還原態(tài)的無機物質(zhì)。,總結(jié)：微生物的營養(yǎng)類型 （1）碳源：分成 自養(yǎng)型 與 異養(yǎng)型 兩大類。 （2）能源：可分成 化能營養(yǎng)型 與 光能營養(yǎng)型 。 （3）供氫體：分成 有機營養(yǎng)型與 無機營養(yǎng)型 。,綜合起來，可將微生物營養(yǎng)類型劃分為四種基本類型，即 化能有機營養(yǎng)型 、 化能無機營養(yǎng)型 、 光能無機營養(yǎng)型 與 光能有機營養(yǎng)型 等。,微生物的營養(yǎng)類型,1 化能有機營養(yǎng)型（化能異養(yǎng)型） 以有機碳化合物為碳源，以有機物氧化過程中釋放的化學能為能源，以有機物為供氫體進行生長的微生物通稱為 化能有機營養(yǎng)型 。 絕大多數(shù)細菌與全部真核微生物都屬于化能有機營養(yǎng)型。,2 化能無機營養(yǎng)型 （化能自養(yǎng)

6、型） 能氧化某種還原態(tài)的無機物質(zhì)，利用所釋放的化學能還原 CO2 ，合成有機物質(zhì)，進行生長、繁殖的微生物。,3 光能無機營養(yǎng)型 （光能自養(yǎng)型） 是一類含有光合色素、能以 CO2 作為唯一或主要碳源并利用光能進行生長的微生物。 藻類、藍細菌、綠硫細菌和紫硫細菌就屬于這類微生物。,4 光能有機營養(yǎng)型 （光能異養(yǎng)型） 少數(shù)含有光合色素的微生物種類，能利用光能為能源，還原 CO2 合成細胞物質(zhì)，同時又必須以某種有機物質(zhì)作為光合作用中的供氫體，因而被稱為光能有機營養(yǎng)型。 例如紅螺菌屬：,特殊類型：混合營養(yǎng)微生物： 即可以利用無機碳又可以利用有機碳化合物做為碳源的微生物。 如：氫細菌、發(fā)硫菌屬、亮發(fā)菌屬等

7、。,4、氮源 （ nitrogen source ） 。 大多數(shù)微生物能利用無機含氮化合物，如銨鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽等，但僅有 固氮微生物 可利用分子態(tài)氮作氮源。,提問：哪些物質(zhì)可作為細菌的氮源？ 有機氮（氨基酸和蛋白質(zhì)）、無機氮（ N2、 NH3、銨鹽、硝酸鹽）等。 實驗室中有機氮源蛋白胨,工業(yè)投加的細菌氮源？,尿素、糞便,蛋白胨和肉湯中含有的肽、多種氨基酸和少量的銨鹽及硝酸鹽，一般能滿足各類細菌生長的需要。因此，銨鹽、硝酸鹽、蛋白胨和肉湯等是實驗室培養(yǎng)微生物常用的氮源。,5. 無機鹽 （ mineral salts ） 根據(jù)微生物生長繁殖對 無機鹽 需要量的大小，可分為大量元素和微量元素兩

8、大類。 大量元素如： S 、 P 、 K 、 Na 、 Ca 、 Mg 、 Fe 等。 微量元素如： Cu 、 Zn 、 Mn 、 Mo 、 Co 、 Ni 、 Sn 、 Se 等。,在配制微生物培養(yǎng)基時，對于大量元素，可以加入有關化學試劑，常用 K 2 HPO4 及 MgSO4 。因為它們可提供 4 種需要量最大的元素。對于微量元素，在配制普通培養(yǎng)基時一般不再另行添加。,6、 生長因子 （ growth factor ） （1）定義： 為某些微生物生長所必需、其自身又不能合成、需要外源提供但需要量又很小的有機物質(zhì)通稱為 生長因子 。,生長因子,種類：嘌呤、嘧啶類、維生素類 作用：？ 嘌呤和嘧

9、啶參與合成核酸和輔酶； 維生素，重要輔酶 多數(shù)細菌不存在生長因子問題。 只有少數(shù)細菌需要外界提供現(xiàn)成的生長因子，才能生長，如乳酸菌需要多種維生素，因此只能生活在這些物質(zhì)供應充足的環(huán)境，如牛奶中、腸道。,必需，但不能自身合成的有機物,三、C、N、P比 不同微生物細胞的元素組成比例不同，對營養(yǎng)元素要求的比例也不同。廢水好氧生物處理的微生物群體要求 C：N：P=100：5：1 而厭氧生物處理的微生物群體要求 C：N：P=100：6：1,城市生活污水不存在營養(yǎng)不足的問題。但有的工業(yè)廢水缺某種營養(yǎng)，當營養(yǎng)量不足時，應供給或補足。 如酒精廢水缺 ？ ；,洗滌劑廢水 ？,N、P,缺N,P過剩,提問：如何知道

10、所處理的廢水中營養(yǎng)物供應是否比例平衡呢？ 先測、對比、試驗驗證,煉油廢水 ？,N、P,但如果工業(yè)廢水不缺營養(yǎng)，就切勿盲目補充！ 提問：為什么？ 過猶不及“嬌慣” 細菌往往先利用這類現(xiàn)成的容易被吸收、利用的有機物質(zhì)，而不再利用工業(yè)廢水中難以吸收、利用的有機物，從而導致細菌分解特殊有機物的能力下降 這與細菌馴化正好相反（反馴化）。,留意！,四、 微生物培養(yǎng)基,培養(yǎng)基（ medium, 復數(shù)為 media, 或 culture media ）是人工配制的用于微生物生長繁殖或積累代謝產(chǎn)物的營養(yǎng)基質(zhì)。,（一）培養(yǎng)基配制應遵循的原則 是注意各種營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，保持合適的滲透壓 添加緩沖劑或不溶性的碳酸鹽，

11、維持培養(yǎng)基 pH 的相對穩(wěn)定； 培養(yǎng)基應無菌。 經(jīng)濟節(jié)約、用之不竭的原則。,（二）培養(yǎng)基的類型 培養(yǎng)基種類很多，可根據(jù)構(gòu)成培養(yǎng)基的成分、物理狀態(tài)、用途將培養(yǎng)基分成若干類型。,1、培養(yǎng)基的成分 （ 1 ）合成培養(yǎng)基 （ synthetic media ） 又稱組合培養(yǎng)基。它是由化學成分完全了解的物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基。例如用于分離培養(yǎng)放線菌的高氏 1 號培養(yǎng)基。 優(yōu)點穩(wěn)定、選擇性 缺點很多細菌營養(yǎng)需求較為復雜，配方獲取較難,（ 2 ）復合培養(yǎng)基 （ semi-synthetic media ） 又稱為半合成培養(yǎng)基，是指一類主要用已知化學成分的試劑配制，同時又添加某些未知成分的天然物質(zhì)制備而成的培養(yǎng)

12、基。 如一般用于培養(yǎng)霉菌的馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基。,（ 3 ） 天然培養(yǎng)基 (complex media, undefined media) 指用化學成分并不十分清楚或化學成分不恒定的天然有機物質(zhì)配制而成培養(yǎng)基。 常用的有機物有牛肉膏、酵母膏、蛋白胨、麥芽汁、豆芽汁、玉米粉、麩皮、牛奶、血清等。 純生物制品(細胞提取物) 如，常用的細菌肉湯培養(yǎng)基 牛肉膏 3g 蛋白胨 5g 水 1000mL pH7.27.4 牛肉膏瘦牛肉經(jīng)過加熱濃縮抽提的膏狀物（主要作碳源）,類似物如酵母膏、麥芽汁、土壤浸出液、牛奶、玉米粉,優(yōu)點營養(yǎng)豐富、配制容易 缺點？ 質(zhì)量不穩(wěn)定、選擇性差；,蛋白胨動植物蛋白（大豆或動物骨粉等

13、）經(jīng)初步酶解形成的短肽（主要作氮源）,酵母膏,2培養(yǎng)基的物理性狀,固體培養(yǎng)基、半固體培養(yǎng)基和液體培養(yǎng)基 1）液體培養(yǎng)基（“湯”） 廢水也可看作是一種廣義的液體培養(yǎng)基,2）固體培養(yǎng)基（“團”）,人工做法(與果凍方法一樣) 向液體培養(yǎng)基中加入2左右的瓊脂，加熱至100溶解，40下冷卻并凝固。,石花菜(紅藻）瓊脂,瓊脂主要成份半乳聚糖，分子量大，呈網(wǎng)狀粘著力強，溶解分散（溫度為96以上）,條狀瓊脂,瓊脂特性,A.不能被絕大多數(shù)微生物利用、分解液化； 提問：有什么好處？ 不作為額外碳源，干擾試驗，保持固體特性 B.高壓滅菌結(jié)構(gòu)不被破壞，且顏色透明不妨礙觀察；,多數(shù)微生物在瓊脂培養(yǎng)基表面生長并形成獨立菌

14、落；,提問：有何好處？ 易于純化分離,3）半固體培養(yǎng)基（“膏”）,半流動性介于固體與液體之間 提問：如何制作？ 在液體培養(yǎng)基中加入0.5%或更低濃度的瓊脂 作用：？ 半固體培養(yǎng)基中可以融入少量的溶解氧，因此這種培養(yǎng)基常被用于培養(yǎng)在較低氧濃度環(huán)境下才能最佳生長的細菌。,天然的固體培養(yǎng)基土豆塊、培養(yǎng)真菌的麩皮、大米、大麥等。,3 、按培養(yǎng)基的功能分： （ 1 ）基礎培養(yǎng)基 （ minimum media ） 含有一般微生物生長繁殖所需基本營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基稱為基礎培養(yǎng)基。,（ 2）選擇性培養(yǎng)基 （ selective media ） 用于從混雜的微生物群落中選擇性地分離某種或某類微生物而配制的培養(yǎng)基

15、稱為選擇性培養(yǎng)基。 在實踐中有兩種方式，一種是正選擇，另一種是反選擇。,所謂正選擇是添加某種特定成分為培養(yǎng)基主要或唯一的營養(yǎng)物，以分離能利用該種營養(yǎng)物的微生物。如從混雜的微生物群落中選擇性地分離能利用纖維素的微生物時。,反選擇是在培養(yǎng)基中加入某種或某些微生物生長抑制劑，以抑制所不希望出現(xiàn)的微生物，從而從混雜的微生物群體中分離不被抑制和所需要的目標微生物。, 投毒法,常用物質(zhì)為染料、膽汁酸鹽、金屬鹽類、酸、堿和抗生素。 例如欲分離古細菌，培養(yǎng)基中通常加入青霉素（由于古細菌的細胞壁不同于普通細菌，因而不會被對破壞普通細菌細胞壁結(jié)構(gòu)的青霉素殺死），古細菌就唯一分離并存活下來。,膽汁酸鹽抑制革蘭氏陽性

16、菌 提問：它能選擇性生長那種細菌？ 革蘭氏陰性細菌,毒選擇性的抑制劑 待選細菌有抗性,投其所好法（“邪挖墻角”）,好營養(yǎng)、環(huán)境因子 （1）專一性營養(yǎng)源培養(yǎng)法 待選細菌專門需要的某種碳源或氮源 例如篩選纖維素分解菌選用纖維素作為培養(yǎng)基中的唯一碳源； 各類降解石化廢水特殊有機物的細菌篩選通常是以這類有機物為培養(yǎng)基中的唯一碳源，將目的細菌富集篩選下來。,（ 3）鑒別培養(yǎng)基 （ differential media ） 用于鑒別不同微生物類型的培養(yǎng)基稱為鑒別培養(yǎng)基。 主要用于微生物的快速分類鑒定，以及分離和篩選產(chǎn)生某種代謝產(chǎn)物的微生物菌種。,一些鑒別培養(yǎng)基,（4 ）加富培養(yǎng)基 （ enrichment

17、 media ） 指在基礎培養(yǎng)基中加入某些特殊需要的營養(yǎng)成分配制而成的營養(yǎng)更為豐富的培養(yǎng)基。,六、微生物營養(yǎng)物質(zhì)的吸收方式 營養(yǎng)物質(zhì)從微生物所處的周圍環(huán)境通過細胞膜進人細胞的方式，可分為四種類型，即 簡單擴散、促進擴散、主動運輸和基團轉(zhuǎn)位 。,簡單擴散 （ simple diffusion ） 物質(zhì)通過細胞膜中的含水小孔由高濃度的胞外環(huán)境向低濃度的胞內(nèi)擴散，這種擴散是非特異性的。,2 促進擴散 （ facilitated diffusion ） 需要借助位于膜上的一種載體蛋白的參與，并且每種載體蛋白只運輸相應的物質(zhì)。載體蛋白能促進物質(zhì)運輸加快進行，但營養(yǎng)物質(zhì)仍不能逆濃度梯度吸收。,3 主動運輸

18、 （ active transport ） 在主動運輸中，載體分子構(gòu)型變化以消耗能量為前提，因此主動運輸是一個耗能過程。 主動運輸是一種廣泛存在于微生物中的主要物質(zhì)運輸方式。,4 基團轉(zhuǎn)位 （ group transport ） 是一種既需要載體蛋白又需要消耗能量的運輸方式。 主要存在于厭氧細菌和兼性厭氧細菌中，主要用于糖的運輸以及脂肪酸、核苷、堿基等物質(zhì)的運輸。,第三節(jié) 微生物的產(chǎn)能代謝,微生物的產(chǎn)能代謝即是細胞內(nèi)化學物質(zhì)經(jīng)過一系列的氧化還原反應而逐步分解，同時釋放能量的生物氧化過程。,異養(yǎng)微生物將有機物氧化，根據(jù)氧化還原反應中電子受體的不同，可將微生物細胞內(nèi)發(fā)生的生物氧化反應分成發(fā)酵和呼吸兩種類型，而呼吸又可分為有氧呼吸和厭氧呼吸兩種方式。,一、有氧呼吸 以分子氧作為氫及電子的最終受體，底物可全部被氧化分解成CO2和水，并產(chǎn)生ATP。,二、無氧呼吸 某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等這類外源受體。 由于部分能量在沒有充分釋放之前就隨電子傳遞給了最終電子受體，故產(chǎn)生的能量比有氧呼吸少。,有機物，如葡萄糖、乙酸等，通過無氧呼吸也可被徹底氧化成 C